羽状水平井欠平衡钻井环空流动特性研究

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1、第32卷第3期西南石油大学学报(自然科学版)Vol_32No．32010年6月JournalotSouthwestPetroleumUniversity(Science&TechnologyEdition)Jun．2010文章编号：1674—5086(2010)03一O117～05羽状水平井欠平衡钻井环空流动特性研究张义，鲜保安，周卫东，孙粉锦，任源锋(1．中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007；2．中国地质大学工程技术学院，北京海淀100083；3．中国石油大学石油工程学院，山东东营257061；4．中国石油渤海钻探井下作业公司，河北廊坊065007)摘

2、要：羽状水平井欠平衡钻井技术是近几年来国内外煤层气开发中普遍采用的一项减少储层伤害、提高低渗储层煤层气采收率的新技术。针对该技术的技术特征，建立了物理模型和数学模型，结合现场井例分析了井筒环空内各流动特性参数的变化规律。结果表明：井底压力随泥浆排量的增加单调递增，同一泥浆排量条件下，环空注气量越大，井底压力值越低；羽状井自注气点至井口的井筒环空内，水平段由于静液压力占主导，空隙率、混相流体流速增长幅度较小，混相流体密度少许降低，压降损失也较少；竖直井筒环空内空隙率及混相流体流速自井底沿井筒向上初始缓慢增大，当环空压力降低到一定程度后，由于气液滑脱效应，而；g-a,l增大

3、，环空内混相流体密度变化规律与之相反，环空压力自井底沿井筒向上呈线性减小。关键词：煤层气；羽状水平井；欠平衡钻井；流动特性；环空压降；井底压力；环空注气量中图分类号：TE242．9文献标识码：ADOI：10．3863／j．issn．1674—5086．2010．03．022引言1模型的建立与求解由于我国的煤储层大多属于低压、低渗、低孔1．1物理模型简化“三低”类型，致使煤层气开采难度增加，效果甚由于水平井注气点以后井筒环空内的流体流动差¨。理论研究及近几年的开发实践表明，当煤为液、固两相流，注气点至井口的井筒环空内流体流层的渗透率小于1mD时，采用羽状水平井开采煤层动为

4、气、液、固混相流体流动，为了便于研究和计算，气，单井日产气量与直井水力压裂相比可提高3～将羽状水平井欠平衡钻井井身结构简化(见图1)]。10倍，因此羽状水平井钻井技术已成为目前煤层气开发的主要技术之一，尤其是羽状水平井充气欠平衡钻井技术一。该技术采用羽状井与洞穴直井相结合的双井筒结构，当羽状井主水平井眼与洞穴直井连通以后，通过直井往羽状井水平井筒环空内注气，降低羽状井环空内液柱压力，实现其在煤层中的欠平衡钻进，达到减少储层污染、保护煤储层的目的。完井以后，在羽状井斜井段打水泥塞封堵，采气作业在直井中进行卜∞】。该技术的关键在于欠平衡钻井注气工艺参数的优选，从而确保羽状井

5、H一羽状井垂深，m；一羽状井垂直井眼与注气直井水平间距，m在煤储层中钻进始终保持欠平衡钻井状态，因此研Dh1羽状井三开井眼直径，m；D}l2注气直井二开井眼直径，m；究环空注气量、泥浆排量等对井底压力、井底欠压值D一羽状井三开钻杆柱外径，m；D～注气直井油管内径，m。的影响以及井筒环空内各物性参数沿井深的变化规图1通用算例简化物理模型律至关重要。Fig．1Diagramofuniversalmodelsforcases收稿日期：2009一O8一O4基金项目：国家煤层气“973”项目(2009CB219607)；国家科技重大专项子课题(2008ZX05033)。作者简介：

6、张义(1983一)，男(汉族)，湖南长沙人，硕士，主要从事多分支水平井、欠平衡钻井及煤层气钻采方面的研究。118四南石油大学学报(自然科学版)2010钲1．2数学模型p一环空混相流体密度，kg／m；1．2．1质量守恒相微分方程一羽状井水平井筒环空内持液率，无因次；一羽状井水平井眼倾斜角，(。)。景(piei)+7’(pieivi)=0(1)1．2．4空隙率计算模型，。式中水平井筒环空￡一时间，s；E=l厂(Q，Q。，Q，，D)(5)p一流体密度，kg／m；竖直井简环空e一流体体积分数，无因次；Eg=Q，Qg，P，Pg，tzg，IZl，Cg，，g，g)一流体速度，m／s。

7、(6)下标式中一流体类型，i=g(气体)，l(泥浆)，S(煤屑)。E一水平井筒环空内空隙率，无因次；1．2．2动量守恒相微分方程E一竖直井筒环空内空隙率，无因次；Q一环空混相流体排量，m／rain；景)+V·(pieiv~)+pieig+V‘(e)=0一气体黏度，Pa·s；(2)】一泥浆黏度，Pa·S；其中，二阶应力张量(T)的表达式为C一气体速度分布系数，无因次；PPP]一气体漂移速度，m／s。=}PPPI1．3模型求解思路与方法＼＼pzpzp)建立的数学模型是由一系列差分方程、参数方式中程及辅助方程等构成的高度非线性代数方程组，在g一